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Bildverarbeitung Experten helfen für jede Applikation das passende Vision-System zu finden

| Autor / Redakteur: Ines Näther / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Bildverarbeitungs-Systeme entwickeln sich immer mehr zu zentralen Bestandteilen effektiver Automatisierungs-Prozesse. Doch angesichts der vielfältigen Systeme — und der aktuelle Wirbel um GigE Vision — macht es dem Anwender schwer, das Angebot zu überblicken. Denn die optimale Technologie hängt von vielen Faktoren der jeweiligen Aufgabe ab.

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Die für konkrete Anwendungsbereiche entwickelte und optimierte IBV-Geräte sollen heute vielfältige Aufgabenstellungen lösen.
Die für konkrete Anwendungsbereiche entwickelte und optimierte IBV-Geräte sollen heute vielfältige Aufgabenstellungen lösen.
( Archiv: Vogel Business Media )

Seit Jahren stehen industrielle Bildverarbeitungs-Systeme mit ihren hohen Wachstumsraten an der Spitze der Automatisierung und erobern Zug um Zug immer neue Anwendungsfelder. Kein Wunder, sind sie doch der Schlüssel zu mehr Produktivität, Qualität, Kosteneffizienz und machen die Produktion auch in Hochlohnländern konkurrenzfähig.

„Vieles spricht dafür, dass die Bildverarbeitung auch in den nächsten Jahren von einem kräftigen Wachstum und hoher Innovationsdynamik geprägt sein wird“, prognostiziert Torsten Zöller, Marketing-Manager Central Europe bei Cognex Deutschland. Dabei würde die Miniaturisierung von autarken Systemkomponenten viele weitere Anwendungsgebiete erschließen. Je kleiner, gleichzeitig leistungsfähiger und zuverlässiger die Systeme sind, umso besser lassen sie sich unmittelbar in Prozesse integrieren. „Besonders deutlich zeigen das beispielsweise anwendungsspezifisch optimierte und autark arbeitende Vision-Sensoren, die heute ein sehr hohes Niveau erreicht haben und bereits viele PC-basierte Anwendungsbereiche ersetzen“, untermauert Zöller.

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Bei den Kameras, berichtet Hardy Mehl, Director Marketing bei Basler Vision Technologies, führen Innovationen in den CCD- und CMOS-Sensortechnologien zu Leistungssteigerungen. Dabei verbessern höhere Auflösungen, schnellere Bildraten und mehr Bildqualität die Prüfgenauigkeit und/oder verringern Prüftakte. „Daher ist es auch nicht verwunderlich, dass der Begriff HD — High-Definition — auch auf der industriellen Ebene an Bedeutung gewinnt, was bereits auf der Vision in Form erster HD-Kameras zu sehen sein wird“, zeigt Sayed Soliman auf, Geschäftsführer bei MaxxVision.

Auch die digitalen Schnittstellen-Technologien stehen momentan im Fokus der Branche. So insbesondere GigE Vision und die Einführung des damit verbundenen GenICam-Protokolls, die Systemkosten verringern und vereinfachen bzw. zu beschleunigter Entwicklung eines industriellen Bildverarbeitungs-(IBV)-Systems beitragen. Beiden Standards sprechen die Experten ein beträchtliches Potenzial zu. Die Folge, so begründet Hardy Mehl stellvertretend, sind günstigere IBV-Systeme, die ihren Kunden einen schnelleren Return on Investment garantieren oder neue Anwendungen erschließen, die bisher noch nicht wirtschaftlich waren. Für Sayed Soliman liegt der Vorteil eindeutig in der Verwendung herkömmlicher Ethernetkabel, die Längen bis 100 m ermöglichen, und somit lange Strecken überbrücken. „Vor allem GigE-Kameras für das Segment der mittleren Datenraten liegen — insbesondere mit Intelligenz — voll im Trend“, ergänzt Uwe Furtner, Geschäftsleitung Standardprodukte bei Matrix Vision. Das bedeutet, dass die Kamera die Bildverarbeitung direkt im Sensor ausführt und nur relevante Daten überträgt. Der Vorteil sei gerade die einfache Einbindung in vorhandene Netzwerke. „Mit reinen GigE-Kameras, die die vorhandene Rechenleistung nur für die Verarbeitung des ein- und ausgehenden Datentransfers verwenden, könnte ein Netzwerk durch die Datenflut schnell an seine Grenzen stoßen.“

Eine weitere bedeutsame technische Entwicklung — neben den neu hinzugekommenen Embedded-Vision-Systemen — sieht Sayed Soliman im PoCL-Standard (Power over CameraLink). „Die Stromversorgung der CL-Kameras erfolgt hierbei über ein und dasselbe Kabel wie die Datenübertragung. Und schließlich gehören laut Dr. Jürgen Geffe, Geschäftsführer Vision & Control, telezentrische Objektive zum Inspizieren und Messen an räumlichen Teilen mit Bohrungen, Nuten, Durchbrüchen und verschiedenen Höhen zum aktuellen Trend.

Mit „Rat und Tat“ zur Seite stehen

Schneller, flexibler, wirtschaftlicher als bisher fertigen — moderne Bildverarbeitungssysteme können also entscheidend dazu beitragen, diese Forderungen der Hersteller aus den verschiedensten Branchen zu erfüllen. Dennoch: Während für die Einen hochauflösende Digitaltechnik längst Thema ist, setzen die Anderen — und das sind fast 90 Prozent — weiterhin analoge Standardsysteme ein. Außerdem gibt es nicht wenige Unternehmen — vor allem Klein- und Mittelständler — die noch immer völlig ohne IBV produzieren. Dabei könnten sie durch den Einsatz von Kameras und optischen Sensoren nicht nur die Produktivität und Qualität steigern, sondern auch die Kosten senken. Wer da nicht mitzieht, verschenkt also Wettbewerbsvorteile.

Um der noch immer oft vorhandenen Skepsis zu begegnen, raten alle Experten, sich an Hersteller von IBV-Systemen für ihre Industrie oder an Systemintegratoren in regionaler Nähe zu wenden, um sich eine bestmögliche Beratung zu sichern. Außerdem: „Systemkomponenten aus einer Hand bieten die Gewähr für problemfreien und zuverlässigen Betrieb“, worauf Dr. Oliver Vietze, Vorstand der Baumer Group, hinweist. Denn grundsätzlich ist die Auswahl der richtigen und optimal zusammenspielenden Komponenten für ein Vision-System immer noch eine anspruchsvolle Aufgabe.

Jedoch geht es in vielen kleinen Unternehmen meist nicht um komplexe Anwendungen der Bildverarbeitung, sondern um Anforderungen die sehr oft mit Systemen aus der Klasse der Vision-Sensoren gelöst werden können. „Dieser meist risikolose Einstieg ermöglicht den praktischen Umgang mit der Vision-Technologie und man lernt sehr schnell den Nutzen einzuschätzen“, erklärt Torsten Zöller. Das erschließe dann Akzeptanz und Kompetenz für die nächsten Schritte. Sein bester Tipp ist, durch eine klar strukturierte Vorgehensweise Fehlentwicklungen frühzeitig zu vermeiden. „Wer mit minimaler Wissensbasis, schlecht vorbereitet, oder gar in naiver Blauäugigkeit an eine BV-Aufgabe heran geht, der ist vermutlich schon dabei Fehler zu begehen.“ So zählt der Experte zehn wichtige Entscheidungskriterien auf: exakte Eingrenzung der IBV-Aufgabe, Online-Machbarkeitsstudie, detailliertes Pflichtenheft, Beratung durch Fachleute, Flexibilität der IBV-Bibliothek, Einbindung in die Prozesssteuerung, Kommunikations-Schnittstellen, Wahl der IBV-Systeme, Entwicklungsumgebungen und Amortisation.

„Gerade in den klein- bis mittelständischen Betrieben reicht für den Einsatz von Vision-Sensoren, oft eine kleine Vorführung direkt beim Kunden aus. Bei Kamerasystemen ist es jedoch oft nötig, einen Service auch nach Auftragseingang anzubieten — und daher besonders wichtig immer mit „Rat und Tat“ zur Seite zu stehen“, bestätigt auch Joachim Hueber, Produktmanager Bildverarbeitung bei Eltrotec.

Jedem Neugierigen empfiehlt Sayed Soliman auch den Besuch von Fachmessen, etwa der Automatica in München und der Vision in Stuttgart. Der Interessent solle zunächst offen den Kontakt mit einem IBV-Anbieter suchen. Dabei sei ein vertrauensvoller Umgang zwischen Kunde und Lieferant unabdingbar sowie eine qualifizierte Beratung notwendig. Denn ein Patentrezept gibt es nicht. „Viele Anwender warten auf die einfache Plug & Play-Lösung und verpassen dabei den Anschluss an den Wettbewerb“, warnt Soliman.

Den Standpunkt vertritt auch Peter Keppler, Vertriebsleiter Systemlösungen bei Stemmer Imaging: „Um die Akzeptanz der Bildverarbeitung nachhaltig zu erhöhen, muss der Kunde zunächst geschult werden. Ob er mit einem Integrator arbeitet oder die Integration selbst vornimmt, ist dabei noch unerheblich. Erst wenn er die Technik der Bildverarbeitung verstanden hat, das Machbare abschätzen kann und typische Schwierigkeiten kennt, wird er die Technologie voll akzeptieren.“ Wichtig sei, dass die erarbeitete Lösung optimal zur Aufgabe passt und sich in das industrielle Umfeld einbettet. Je nach Applikation kann das eben ein kleiner Sensor oder ein aufwändiges PC-System sein.

Die Anwendung entscheidet

Doch die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Lösungen sind für den Anwender schwer zu überblicken. Und so lässt sich die Frage nach der optimalen Lösung einer Aufgabenstellung auch nicht generell beantworten. „Es müssen stets viele Parameter beachtet werden, etwa die geforderten Genauigkeiten und Geschwindigkeiten sowie oft auch Faktoren wie die vorhandene Erfahrung des Anwenders“, zeigt Peter Keppler auf. So ist für Torsten Zöller ein detailliertes und gründlich erarbeitetes Pflichtenheft die Voraussetzung, um frühzeitig die richtigen Entscheidungen einzuleiten, mit welchen Systemen die Aufgabe sinnvoll gelöst werden kann. Dr. Oliver Vietze schlägt als Guideline — von der einfachen hin zur komplexen Aufgabe — folgende Reihenfolge vor: Vision-Sensor — intelligente Kamera — Embedded-IBV-System — PC-basiertes Vision-System.

Vision-Sensoren eignen sich für einfache Aufgaben. Hier muss der optische Sensor geringfügig an seine Anwendung angepasst werden. Dies erfolgt entweder über die digitalen Eingänge, eine kleine Handtastatur oder das mitgelieferte Prüfprogramm.

Intelligente Kameras vereinen in einem Gehäuse CCD-/CMOS-Kamera, Framegrabber, Rechner, digitale Ein-/Ausgänge, diverse Schnittstellen und einen SVGA-Videoausgang. „Wegen ihrer vielfältigen Funktionen, mit Rechenleistungen bis 1200 MIPS und Bildfrequenzen bis 120 Hz ersetzten sie PC-basierende Systeme zunehmend“, berichtet Dr. Jürgen Geffe. Zudem lassen sie sich als Stand-alone-System betreiben, da sie Ergebnisse direkt ausgeben. „Spielt also der Platzbedarf eine entscheidende Rolle, sind Smart-Kameras klar im Vorteil“, meint Sayed Soliman. Handelt es sich aber um Applikationen mit mehr als einer Kamera und müssen viele Schnittstellen vorhanden sein, hätten ganz klar Embedded-Systeme die Nase vorn — hard- und softwaremäßig abgestimmt, bestehen sie aus Rechnereinheit, Software und mehreren Kameras und werden meist maßgeschneidert auf die Applikation programmiert und eingerichtet. „Insbesondere in Punkto Plug-and-Play-Funktionalität, Robustheit und Skalierbarkeit, die nicht nur für Highspeed-Anwendungen ein wichtiges Kriterium darstellt, sind Embedded-Systeme PC-basierten Systemen weit überlegen“, erklärt Soliman.

Unter industriellen Fertigungsbedingungen rät Dr. Geffe sogar von PC-basierenden Systemen ab: „Vor allem dort, wo man Kamera, Beleuchtung, Software und PC getrennt zusammenstellt und womöglich noch von verschiedenen Herstellern. Der Aufwand, die einzelnen Komponenten anzupassen, ist sehr hoch und meist fehlt dann auch noch die technische Unterstützung.“ So gibt es nicht wenige Möglichkeiten, zu eine sicher funktionierenden Applikation zu kommen — eines lohnt sich auf jeden Fall: Rat und Erfahrung von Fachleuten der Bildverarbeitung einzuholen.

Hardy Mehl, Basler Vision Technologies, zu GigE-Vision

„Beide Standards haben ein sehr großes Potenzial und befinden sich derzeit in der Markteinführungsphase. Die Schnittstelle GigE Vision ist einfach in der Anwendung. Sie führt zu beschleunigter Kameraintegration, zu verringerten Entwicklungsaufwendungen, und zu reduzierten Systemkosten. Die Schnittstelle ist kompatibel zu handelsüblichen Gigabit-Ethernet-Karten, deren Kosten nur einen Bruchteil von CameraLink-Framegrabbern betragen. Zudem sind Gigabit-Ethernet-CAT5 oder -CAT6-Kabel um Faktoren preiswerter als CameraLink-Kabel. GigE Vision löst zusätzlich die Limitierung von Kabellängen – Datenübertragungen von 100 Mbyte/s über 100 m Kabellänge sind jetzt möglich. Für viele Kunden von Analogkameras stellt GigE Vision damit das erste Mal eine wirkliche digitale Alternative dar. So wird GigE Vision sehr wahrscheinlich einen signifikanten Anteil der Schnittstellen CameraLink, USB und FireWire substituieren. Durch die höhere Bandbreite von CameraLink sowie die Kosten und der Bedienungskomfort von FireWire werden sich diese beiden Schnittstellen aber auch langfristig neben GigE Vision im Kameramarkt halten.“

Dr. Oliver Vietze, Baumer Group, zu GigE-Vision

„GigE Vision wird sicher künftig wesentliche Marktanteile erobern. Der GenICam-Softwarestandard scheint auf den ersten Blick interessant, weil er glauben macht, dass der Anwender künftig problemfrei aus Kameras verschiedener Hersteller frei auswählen kann. Tatsächlich gilt das – wie beim DCAM-Standard von FireWire – nur für eingeschränkte Basisfunktionen. Bei komplexen Anwendungen muss der Kamerahersteller nach wie vor leistungsfähige Funktionen sowie, wenn möglich, eigene Treiber anbieten.“

Torsten Zöller, Cognex Deutschland, zu GigE-Vision

„Standards erzeugen in der Folge immer eine Innovationsdynamik sowohl mit diesen als auch alternativer Ansätze. Sie liefern dem Endanwender und Systemintegrator Vereinfachungen und Kostenreduktion in der Applikationsgestaltung. Letzten Endes entscheidet aber immer der Markt was sich wie weit durchsetzt. Ein gutes Beispiel dafür ist das aus dem Konsumerbereich etablierte Ethernet, das sich durch seine einfache Handhabbarkeit und billige Komponenten auch in der Industrie nachhaltig durchgesetzt hat.“

Joachim Hueber, Eltrotec Sensor zu GigE-Vision

„GigE Vision hat meiner Ansicht nach gutes Zukunftspotential, da USB und FireWire nicht industrietauglich sind. Des Weiteren sind mit GigE noch schnellere und hochwertigere Datenübertragungen möglich, als mit den bisherigen Schnittstellen.“

Uwe Furtner, Matrix Vision, zu GigE-Vision

„Die Vorteile von GigE Vision liegen vor allem auf der Seite der Endnutzer: Die Hardware lässt sich einfach austauschen bzw. ersetzen, was somit die Qualität der Kamera zum Hauptargument bei der Produktauswahl werden lässt. Die aktuellen Produktankündigungen zeigen, dass die Zukunft der Standards auch vonseiten der Hersteller gesichert ist. Jeder Hardware-Hersteller hat bislang seine eigene Sofware-Schnittstelle. Die Integration in allgemeine IBV-Anwendungen oder Bibliothek ist dadurch recht aufwändig. Durch herstellerübergreifende Standards wie GenICam lässt sich nur profitieren, wenn noch genügend Freiraum für individuelle Hardwarefeatures bleibt. Für hohe Datenraten hat sich CameraLink etabliert und wird daher für High-End-Anwendungen weiterhin das Maß bleiben. Die Zukunft von GigE-Vision wird bei den mittleren Datenraten liegen und durch die Verwendung von Standard-Netzwerkkomponenten eine große Akzeptanz im Markt finden. Interessant wird es im unteren Datenraten-Sektor. Die Verbreitung von FireWire-Schnittstellen gerät ins Stocken und ist weltweit nicht sonderlich verbreitet, USB-Schnittstellen dagegen gibt es in jedem neu verkauften PC bzw. Laptop.“

Sayed Soliman, MaxxVision, zu GigE-Vision

„Der Anwender erlebt gerade die Standardisierung einer Kameraschnittstelle. Das bedeutet Fortschritt und weniger Reibungspunkte zwischen Kamera und Rechner bzw. Software. Eine IBV-Lösung besteht jedoch aus vielen Themen. Der Nutzen einer perfekten Kameraschnittstelle ist eines von diesen und sollte nicht überbewertet werden. Vorteil von GigE ist eindeutig die Kabellänge. Noch ist eine solche Kamera teurer als die Alternativen. FireWire als Bussystem ist lange bewährt und CameraLink als Punkt zu Punkt Verbindung einfach zu begreifen. Mit GigE wird es noch viele praktische Lernprozesse geben – insgesamt ist es eine Ergänzung, keine Verdrängung der Schnittstellenwelt.“

Peter Keppler, Stemmer Imaging, zu GigE-Vision

„Die große Bandbreite an verfügbaren Systemen, Software-Ansätzen und Kamera-Schnittstellen hat ihre Berechtigung, denn jede Variante hat ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Auch der neue GigE-Vision-Standard bietet ganz neue Möglichkeiten und wird daher eine breite Akzeptanz finden. Derzeit stellt sich jedoch nicht die Frage, ob er eine andere Schnittstelle verdrängt. Selbst der analoge Transfer hat seine ganz spezifischen Stärken, die seinen Bestand weiterhin rechtfertigen. Aber die Vielfalt der technischen Möglichkeiten macht deutlich, dass der Kunde in der Regel auch weiterhin einen kompetenten und unabhängigen Berater braucht.“

Dr. Jürgen Geffe, Vision & Control zu GigE-Vision

„Für die Datenübertrag in der IBV haben sich mehrere Schnittstellen-Standards etabliert, etwa USB und FireWire. In den letzten Jahren hinzugekommen sind GigE oder Gigabit-Ethernet und speziell für die IBV CameraLink. Letztere ist spezifiziert für schnelle Bildübertragung. Momentan läuft gerade die Standardisierung zu Power over CameraLink, womit Kameras keine eigene Stromversorgung mehr benötigen. GigE oder Gigabit Ethernet ist die neueste Ethernet-Generation. Mit einer maximalen Übertragungsrate von einem Gigabit/s wird sie mit Streaming-Bilddaten fertig und eignet sich daher für Video- oder Imaging-Anwendungen mit unkomprimierten Daten.

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